特開 2024-62130 金属精製方法および金属精製装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024062130

(43)【公開日】2024-05-09

(54)【発明の名称】金属精製方法および金属精製装置

(51)【国際特許分類】

   C22B 21/06 20060101AFI20240430BHJP

   C22B 9/04 20060101ALI20240430BHJP

   C22B 19/04 20060101ALI20240430BHJP

   C22B 26/22 20060101ALI20240430BHJP

   C22B 13/02 20060101ALI20240430BHJP

【ＦＩ】

C22B21/06

C22B9/04

C22B19/04

C22B26/22

C22B13/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022169925

(22)【出願日】2022-10-24

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】519016181

【氏名又は名称】豊通スメルティングテクノロジー株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000241485

【氏名又は名称】豊田通商株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100113664

【弁理士】

【氏名又は名称】森岡 正往

(74)【代理人】

【識別番号】110001324

【氏名又は名称】特許業務法人ＳＡＮＳＵＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川原 博

(72)【発明者】

【氏名】八百川 盾

(72)【発明者】

【氏名】日比 加瑞馬

(72)【発明者】

【氏名】箕浦 琢真

(72)【発明者】

【氏名】石井 博行

(72)【発明者】

【氏名】日下 裕生

(72)【発明者】

【氏名】長谷部 詩織

(72)【発明者】

【氏名】中野 悟志

【テーマコード（参考）】

4K001

【Ｆターム（参考）】

4K001AA02

4K001AA20

4K001AA30

4K001AA38

4K001BA22

4K001EA02

4K001EA03

4K001GA16

4K001GA19

(57)【要約】

【課題】スクラップ等を原料としたＡｌ基溶湯からＺｎを効率的に除去または回収できる方法を提供する。
【解決手段】本発明は、低真空な第１領域（ｓ１）と高真空な第２領域（ｓ２）とをアルミニウム基溶湯（ｍ）の湯面上に形成する真空化工程と、第２領域側にあるアルミニウム基溶湯中へ気泡を導入する気泡導入工程とを備える金属精製方法である。これにより、第２領域の湯面側から特定元素が蒸発（沸騰）し易くなり、アルミニウム基溶湯から特定元素を除去する精製処理を効率的に行なうことができる。導入される気泡は微細化されているとよい。第１領域側でアルミニウム基溶湯が局部的に加熱されるとよい。除去または回収される特定元素は、例えば、Ａｌよりも飽和蒸気圧が大きいＺｎ、ＭｇまたはＰｂの一種以上である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

低真空な第１領域と高真空な第２領域とをアルミニウム基溶湯の湯面上に形成する真空化工程と、
該第２領域側にある該アルミニウム基溶湯中へ気泡を導入する気泡導入工程とを備え、
該第２領域の湯面側から特定元素を蒸発させて該アルミニウム基溶湯を精製する金属精製方法。

【請求項2】

前記気泡は、微細化されて導入される請求項１に記載の金属精製方法。

【請求項3】

前記気泡は、前記第２領域の湯面上方から該第２領域の湯面下方へ導入される請求項１に記載の金属精製方法。

【請求項4】

前記気泡の導入量は、０．０１～１.５Ｌ／ｍｉｎである請求項１に記載の金属精製方法。

【請求項5】

前記第１領域側と前記第２領域側の差圧を１００～５０００Ｐａとする請求項１に記載の金属精製方法。

【請求項6】

前記第２領域側の絶対圧力（Ｐ２）を０．１～１０００Ｐａとする請求項１または５に記載の金属精製方法。

【請求項7】

前記アルミニウム基溶湯を前記第１領域側で加熱する加熱工程をさらに備える請求項１に記載の金属精製方法。

【請求項8】

前記加熱工程は、前記第１領域側の湯面上でアーク放電させる局部加熱工程である請求項７に記載の金属精製方法。

【請求項9】

前記第２領域から蒸発した前記特定元素を回収する回収工程をさらに備える請求項１に記載の金属精製方法。

【請求項10】

前記特定元素は、Ｚｎ、ＭｇまたはＰｂの一種以上である請求項１または９に記載の金属精製方法。

【請求項11】

低真空な第１領域と高真空な第２領域とをアルミニウム基溶湯の湯面上に形成する真空化手段と、
該第２領域側にある該アルミニウム基溶湯中へ気泡を導入する気泡導入手段とを備え、
該第２領域の湯面側から特定元素を蒸発させて該アルミニウム基溶湯を精製できる金属精製装置。

【請求項12】

前記第１領域側と前記第２領域側の差圧を所定範囲内にする差圧管理手段をさらに備える請求項１１に記載の金属精製装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特定元素を蒸発させてアルミニウム基溶湯を精製する方法等に関する。

【背景技術】

【0002】

環境意識等の高揚に伴い、軽量なアルミニウム系部材が様々な分野で用いられている。新規に製錬（さらには精錬）されたアルミニウムを用いるよりも、スクラップを再利用すれば、大幅な省エネルギ化や環境負荷低減を図りつつ、アルミニウム系部材の利用を促進できる。

【0003】

スクラップを溶解した原料溶湯（「Ａｌ基溶湯」ともいう。）中には、Ａｌ以外の様々な元素が混在し得る。所望組成のＡｌ基溶湯を調製するために、不要または過剰な元素の除去または低減が必要となる。このような精製方法の一つに、真空蒸留法（減圧蒸留法、真空脱ガス法、真空処理法）がある。真空蒸留法によれば、Ａｌよりも蒸気圧が高い元素（例えばＺｎ、Ｍｇ、Ｐｂ、Ｈ等）を、Ａｌ基溶湯から優先的に蒸発させて除去、回収等できる。これに関連する記載が下記の文献にある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平６－１４５８３２

【特許文献2】特開平７－４１８７９

【特許文献3】特開平９－３１６５５８

【特許文献4】特開平１１－２５６２５１

【特許文献5】特開２００１－２９４９４９

【特許文献6】特開２００２－３３９０２４

【特許文献7】ＷＯ２０１１／９６１７０

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】大滝，五月女，森，工藤，田中：古河電工時報，104 (1999)，25

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

例えば、特許文献１では、第１筒内にあるアルミニウム（合金）溶湯へ不活性ガスを吹き込みつつ、その上方から汚染物（Ｍｇ、Ｚｎ等）を真空排気し、汚染物を除去した溶湯を第２筒へ流下させている。具体的にいうと、総量４０ｔのアルミニウム溶湯に、１００リットル／分のアルゴンガスを吹き込みつつ、第１筒の上空にある処理室を０．５Ｔｏｒｒにしている。溶湯が供給される第１筒の上流側は真空雰囲気ではなく、大気解放されている。このため高真空な第１筒内の溶湯柱は非常に長大となり、特許文献１の設備は全体的にかなり大規模なものとなる。

【0007】

また特許文献１の場合、第１筒内の溶湯の撹拌目的で多量のガスを吹き込み（つまりバブリング）している。このため、第１筒の上空を高真空に維持する大規模な排気設備が必要となる。さらに、特許文献１の場合、第１筒内に限らず、溶湯全体を真空蒸留法に適した高温まで加熱・維持する必要があり、エネルギー消費量の増大や炉体の消耗が顕著となる。従って、特許文献１のような設備や方法では、汚染物（Ｍｇ、Ｚｎ等）の効率的な除去や回収が困難である。

【0008】

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、特定元素を効率的に抽出できるアルミニウム基溶湯の精製方法等を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、アルミニウム基溶湯の湯面付近に真空度の異なる少なくとも二以上の領域を設けると共に、高真空な領域（絶対圧力がより小さい領域）側のアルミニウム基溶湯へ気泡を導入して、その領域側から特定元素を効率よく蒸発（抽出）させることに成功した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

【0010】

《金属精製方法》
（１）本発明は、低真空な第１領域と高真空な第２領域とをアルミニウム基溶湯の湯面上に形成する真空化工程と、該第２領域側にある該アルミニウム基溶湯中へ気泡を導入する気泡導入工程とを備え、該第２領域の湯面側から特定元素を蒸発させて該アルミニウム基溶湯を精製する金属精製方法である。

【0011】

（２）本発明の金属精製方法（単に「精製方法」ともいう。）によれば、設備の大型化やコストの増大等を回避しつつ、アルミニウム基溶湯（「Ａｌ基溶湯」または単に「溶湯」ともいう。）に含まれる特定元素を、特定域から効率的に蒸発させて、除去や回収（留出）することができる。この理由は次のように考えられる。

【0012】

本発明では、特定元素を蒸発させる第２領域側のみならず、第２領域側へＡｌ基溶湯を供給する第１領域側も真空雰囲気となっている。これにより、第２領域側の溶湯柱の高さは、両領域間の差圧により調整され、その大幅な抑制が可能となり、精製設備のコンパクト化、集約化等が図り易くなる。

【0013】

また本発明では、特定元素を蒸発させる第２領域側の溶湯中へ気泡が導入される。この気泡により、第２領域の湯面付近で生じる特定元素の蒸発や沸騰（適宜、沸騰を含めて「蒸発」という。）が促進される。この機序は次のように考えられる。

【0014】

特定元素は、液相（溶湯）から気相（蒸気）への相転移を経て、第２領域の湯面上へ放出される。相転移は、昇温と共に増加する平衡蒸気圧が、周囲の圧力（外圧）以上になったときに進行する。相転移には、溶湯表面（湯面）で生じる蒸発と、溶湯中（内部）で生じる沸騰がある。

【0015】

気泡を第２領域側へ導入すると、溶湯中に分散または溶解した気泡の少なくとも一部が、特定元素の沸騰核となり得る。これにより特定元素の沸騰が安定的に生じて、特定元素の湯面から蒸発が促進される。こうして本発明によれば、特定元素の除去効率や回収効率の向上が図られ得る。

【0016】

ちなみに、溶湯中で作用する圧力は、湯面上に作用する圧力（湯面上空の気圧）に加えて、その湯面からの深さにも依存する。このため、作用圧力（外圧）が小さくなる湯面付近で、特定元素は突発的な沸騰（突沸）を生じ易い。これは、過加熱状態の特定元素が自ら沸騰核を生成して、その湯面付近で発砲するためと考えられる。このような突沸は、溶湯の飛散を生じ、特定元素の安定した相転移（蒸発）を妨げ、ひいては特定元素の除去効率や回収効率を低下させ得る。

【0017】

一方本発明のように気泡を導入すると、その気泡が沸騰核となり、特定元素は僅かな過加熱で沸騰を生じるようになる。このため、溶湯温度の抑制や特定元素の突沸の抑止が可能となり、特定元素の蒸発の安定化、ひいては除去効率や回収効率の向上が図られるようになったと考えられる。

【0018】

《金属精製装置》
（１）本発明は金属精製装置としても把握される。例えば、本発明は、低真空な第１領域と高真空な第２領域とをアルミニウム基溶湯の湯面上に形成する真空化手段と、該第２領域側にある該アルミニウム基溶湯中へ気泡を導入する気泡導入手段とを備え、該第２領域の湯面側から特定元素を蒸発させて該アルミニウム基溶湯を精製できる金属精製装置でもよい。

【0019】

（２）本発明の金属精製装置は、第２領域から蒸発した特定元素を回収する回収手段を備えてもよい。また、本発明の金属精製装置は、第１領域側と第２領域側の差圧を所定範囲内にする差圧管理手段をさらに備えてもよい。

【0020】

《再生方法（装置）／回収方法（装置）》
（１）本発明は、例えば、スクラップ原料から、特定元素（例えばＺｎやＭｇ等）を除去した再生Ａｌ合金を得る方法（再生方法）として把握されてもよい。特定元素を除去した再生Ａｌ合金は、凝固物（インゴット等）として利用されても、溶湯（半溶融状態を含む）のまま利用されてもよい。また、Ａｌ系スクラップの再生は、カスケードリサイクルに留まらず、展伸材等へのアップグレードリサイクルでもよい。

【0021】

（２）本発明は、さらに、Ａｌ基溶湯の精製や再生とは独立して、原料（例えばスクラップ）を溶解して得たＡｌ基溶湯（原料）から特定元素を回収する方法または装置（特定元素の回収方法または回収装置）として把握されてもよい。

【0022】

《その他》
（１）本明細書でいう「真空」は、基準となる気圧（Ｐ０：通常は大気圧）よりも絶対圧力（Ｐ）が低いことをいう。真空度は、それらの差圧（ΔＰ＝Ｐ０－Ｐ）であり、絶対圧力が小さいほど真空度は大きく、絶対圧力が大きいほど真空度は小さくなる。

【0023】

第１領域側や第２領域側の真空度や絶対圧力（Ｐ１、Ｐ２）は、例えば、各湯面上空や管路（配管）等に設けた計器（ゲージ・センサ等）の測定値により指標されるとよい。その測定値として、例えば、安定域の値または所定期間の平均値を採用するとよい。なお、特に断らない限り、本明細書でいう「圧力」は絶対圧力であり、特定空間の気圧（全圧）を意味する。

【0024】

（２）第１領域と第２領域は、溶湯の連通が可能であれば、近接（さらには隣接）して配置されても、離れて配置されてもよい。また、湯面上には、真空度の異なる３以上の領域が区画されていてもよい。

【0025】

本明細書でいう「領域（側）」には、湯面上方のみならず、湯面下方も含め得る。湯面下方は、例えば、溶湯深さ１／３程度の領域（上層域）を考慮すればよい。

【0026】

（３）溶湯には固液共存状態（半溶融状態）が含まれる。Ａｌ基溶湯は、Ａｌが主成分（溶湯全体に対してＡｌ含有量が５０原子％超、７０原子％以上さらには８５原子％以上）であれば、具体的な組成を問わない。原料溶湯（精製前のＡｌ基溶湯）中の特定元素濃度は問わないが、通常、溶湯全体に対して１０質量％以下さらには５質量％以下程度である。本明細書でいう濃度や組成は、特に断らない限り、対象物（溶湯等）の全体に対する質量割合（質量％または単に「％」）で示す。

【0027】

（４）本明細書でいう「工程」と「手段」は相互に読み替えることができる。例えば、「～工程」を読み替えた「～手段」は「物」（金属精製装置等）の構成要素となり、「～手段」を読み替えた「～工程」は「方法」（金属精製方法等）の構成要素となり得る。

【0028】

本明細書でいう各「工程」の時間的な先後関係（経時的要素）等は問わない。例えば、真空化工程、気泡導入工程、加熱工程等は、併行して連続的になされてもよいし、各工程が交互になされてもよいし、各工程が離散的になされてもよい。

【0029】

（５）特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ～ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】金属精製装置の構成例を示す模式図である。

【図2】金属精製過程を示す工程図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、金属精製方法のみならず金属精製装置にも該当し得る。方法に関する構成要素は、物（装置、（再生）Ａｌ合金（溶湯）等）に関する構成要素ともなり得る。

【0032】

《真空化》
（１）真空化（工程、手段）により、Ａｌ基溶湯の湯面上に、少なくとも２以上の真空域が形成される。これにより、絶対圧力が小さい高真空な領域（第２領域）において、溶湯柱高さを抑制しつつ、その湯面付近から特定元素を優先的に蒸発させられる。真空化手段は、例えば、各湯面の上空を囲う容体（槽体、チャンバ等）と、各容体内を排気する排気手段（真空ポンプ等）とを少なくとも備えるとよい。なお、溶湯柱高さの許容度に応じて、大気圧（以上）が作用する領域を湯面上に設けることもできる。

【0033】

（２）第２領域側の絶対圧力（Ｐ２）は、適宜調整され得るが、例えば、０．１～１０００Ｐａ、１～１００Ｐａさらには５～５０Ｐａである。第２領域の湯面上の真空度を大きく（Ｐ２を小さく）するほど、その湯面上における特定元素の分圧を小さくでき、特定元素の蒸発や沸騰を促進できる。

【0034】

第１領域側の絶対圧力（Ｐ１）に対して第２領域側の絶対圧力（Ｐ２）が過小（差圧（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）が過大）になると、第２領域上の溶湯柱（槽体内の溶湯柱）が高くなり、設備全体が大型化し得る。ΔＰは、例えば、１００～５０００Ｐａ、２００～１０００Ｐａさらには３００～８００Ｐａ程度であるとよい。

【0035】

Ｐ１が小さいほど、第１領域の湯面に対する第２領域の湯面の高低差（溶湯柱高さ／溶湯ヘッド）は抑制され得るが、第１領域側の収容槽（炉体）の内面に蒸発物が堆積し易くなり、メンテナス頻度が増加し得る。Ｐ１は、Ａｌ基溶湯の加熱形態等にもよるが、例えば、１００～１００００Ｐａ、２００～５０００Ｐａ、４００～２５００Ｐａとすればよい。

【0036】

（３）第１領域側と第２領域側の差圧（ΔＰ）は、所定範囲内に管理（維持）されるとよい（差圧管理工程、差圧管理手段）。これによりＡｌ基溶湯の精製、特定元素の回収等を安定的に行える。

【0037】

差圧管理は、例えば、差圧が所定範囲外となったときに、第１領域側や第２領域側に通じる圧力回路間に設けた圧力弁（切替弁／差圧管理手段）を作動させて行える。具体例として、第１領域側と第２領域側の連通、少なくとも一方側の大気解放等を一時的または断続的に行なってもよい。

【0038】

《気泡導入》
（１）気泡導入（工程、手段）により、溶湯中へ気泡が導入され、少なくとも高真空な第２領域の湯面付近における特定元素の蒸発（沸騰を含む。）が促進される。気泡導入は、例えば、ガス源から供給されるガスを溶湯中へ圧送する気送管（パイプ）を介してなされる。

【0039】

（２）導入された気泡は、溶湯の撹拌（バブリング）よりも、特定元素の蒸発（沸騰）を促す気泡核（沸騰核）の生成に寄与するとよい。このため気泡は微細化されて導入されるとよい。

【0040】

気泡の微細化は、例えば、溶湯に浸漬される気送管の吐出部における微細孔の形成、気送管の吐出口付近に通気性を有する多孔体（フィルタ等）の配置、気送管自体または吐出部付近への振動付与（超音波振動等）、その吐出口付近への振動子の配置等によりなされ得る。本明細書では、微細化された気泡を「微細気泡」という。

【0041】

溶湯中へ導入される気泡（特に微細気泡）のサイズは問わないが、ミリサイズ（気泡径：１～１０ｍｍさらには２～５ｍｍ）、マイクロサイズ（気泡径：１～１０００μｍさらには１０～１００μｍ）、さらにはナノサイズ（気泡径：１～１０００ｎｍさらには５０～５００ｎｍ）であるとよい。なお、気泡径は、例えば、解析画像の視野中にある気泡の最大長（直径）の平均値により特定され得る。

【0042】

（３）気泡は、例えば、第２領域の湯面上方からその湯面下方へ導入されるとよい。これにより、第２領域の湯面付近で特定元素の蒸発（沸騰）を効率的に促進させられる。このような気泡導入は、例えば、第２領域の湯面上方からその湯面下方へ、気送管の吐出部を浸漬して行える。気送管の吐出部は、例えば、第２領域の湯面から深さ１～１０ｃｍさらには２～５ｃｍに配置されるとよい。

【0043】

気泡は、特定元素の蒸発（沸騰）を促す気泡核（沸騰核）になればよい。このため、気泡の導入量は、例えば、０．０１～１.５Ｌ／ｍｉｎ、０．０５～１Ｌ／ｍｉｎさらには０．１～０．５Ｌ／ｍｉｎでもよい。気泡が過少ではその導入効果が乏しくなるが、気泡が過多になると、真空度の低下や溶湯の飛散等が生じ得る。

【0044】

気泡となるガス（源）には、Ａｌ基溶湯の劣化（酸化等）を回避できる不活性ガス（希ガス（Ｈｅ、Ａｒ等）、Ｎ_２など）を用いるとよい。不活性ガスは、単種でも複数種（混合ガス）でもよい。

【0045】

第２領域の湯面付近に、沸騰石等の多孔体（多窪体）をさらに配置してもよい。多孔体は、外表面側に開口した細かな孔や窪み等があればよく、気体を透過させる通気性はなくてもよい。多孔体は、第２領域の湯面下方に全体が浸漬された状態でもよいし、その一部が第２領域の湯面上方に浮遊した状態でもよい。多孔体は、粒状でも、板状でも、ブロック状でもよい。多孔体により、湯面付近における突沸が抑止されたり、導入された気泡の微細化も図られる。

【0046】

（４）高温なＡｌ基溶湯に接触する槽体、気送管、多孔体、多孔質体（フィルタを含む）、振動子等は、その溶湯中で変質や溶出しない材料（耐熱性セラミックス、金属等）からなるとよい。

【0047】

湯面付近に配置する多孔体は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、マグネシア（ＭｇＯ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の（多孔質）セラミックスからなるとよい。その気孔率（空隙率）は、２０体積％以上さらには４０体積％以上あるとよい。

【0048】

少なくとも先端部（吐出部）が溶湯に浸漬される気送管は、例えば、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、チタン酸アルミ（Ａｌ_２ＴｉＯ_５）、黒鉛（Ｃ）等からなるパイプであるとよい。パイプの吐出部は、例えば、側面に貫通した細孔を有して先端が閉塞されたものでも、微細気泡を噴出するノズル構造でも、気泡を微細化するオープンポアの多孔質体が先端開口に付加されたものでもよい。

【0049】

《加熱》
（１）特定元素の蒸発熱（気化熱）を補充しつつ、特定元素を安定的に蒸発（沸騰）させるため、溶湯の加熱（工程、手段）が必要となる。

【0050】

Ａｌ基溶湯は、例えば、第１領域側（特に湯面付近）で局部的に加熱されるとよい。これにより、エネルギ消費の抑制、昇温時間の短縮、加熱炉（坩堝）等の炉体の消耗（短寿命化）抑制等を図りつつ、溶湯を効率的に加熱できる。また、特定元素を蒸発させる第２領域とは異なる第１領域で局所的な加熱を行なうことにより、装置の大型化抑制、装置の構成自由度や配置自由度も確保される。さらに、局所加熱により、温度差を駆動力とする対流が生じ易くなる。この対流により、撹拌を行なうまでもなく、局部加熱される第１領域側から、特定元素が蒸発する第２領域側へ、高温なＡｌ基溶湯（原料溶湯）が安定供給され得る。

【0051】

（２）局部加熱（工程、手段）は、高エネルギ密度の熱源を用いてなされるとよい。これにより第１領域の湯面付近を急速加熱して、第１領域に連なる第２領域の溶湯を効率的に高温化できる。

【0052】

熱源（装置）の種類、出力等は、溶湯を収容する湯槽（加熱炉、坩堝、流路等）や第１領域の形態等に応じて選択、調整されるとよい。熱源として、例えば、高エネルギビーム照射（レーザー照射、電子ビーム照射等）、放電（アーク放電等）などがある。いずれの熱源を用いても、加熱装置の簡素化、小型化、省エネルギ化または湯槽への負荷低減等を図り得る。

【0053】

高エネルギビーム照射によれば、加熱位置（第１領域）の調整を自在にまたは高精度に行える。放電によれば、高温なプラズマ供給により湯面付近を急速に加熱できる。放電は、湯面上に、一対の電極を配置してなされてもよいし、一方の電極を湯面上（第１領域の上空）に配置し、他方の電極（対極）をＡｌ基溶湯（第１領域の湯面）としてもよい。後者の場合、Ａｌ基溶湯（他方の電極）と、その湯面上方に配置した電極（一方の電極）との間で放電がなされ、第１領域側の溶湯が効率的に急速加熱される。例えば、溶接等で利用されるアーク放電を用いれば、設備負担を低減しつつ、第１領域付近の溶湯を急速加熱して、第２領域を迅速に高温化できる。

【0054】

アルミニウム基溶湯の湯面へ付与される単位面積あたりのエネルギ量（エネルギ密度）は、１０^２Ｗ／ｃｍ^２以上、１０^３Ｗ／ｃｍ^２以上さらには１０^４Ｗ／ｃｍ^２以上であるとよい。装置の過大化や湯面付近における突沸等を回避するため、敢えていえば、そのエネルギ密度は１０^５Ｗ／ｃｍ^２以下としてもよい。

【0055】

（３）以下、局部加熱源の好例であるアーク放電について説明する。アーク放電による加熱（アーク加熱）は、電極間に発生する高温なアーク柱による。アーク柱の温度は、その部位により異なるが、少なくとも火炎等（＜３０００℃）よりも高温であり、例えば、４０００℃以上さらには５０００℃以上にも達する（参考文献：田中,溶接学会誌，77 （2008）,50）。アーク柱による湯面付近の加熱は、直接アーク加熱でも間接アーク加熱でもよい。アーク加熱は、主に放射（輻射）や粒子（電子、プラズマイオン等）の運動エネルギ伝達等によると考えられる。本明細書でいうアーク加熱には、アーク放電をノズルや気流等で拘束して、指向性や加熱温度を高めたアークプラズマ加熱が含まれる。また、アーク放電の電源は、直流でも交流でもよい。

【0056】

アーク放電は、大気圧～準大気圧付近の雰囲気下（約１０^５～１０^４Ｐａ）でなされてもよいが、第１領域のような低真空雰囲気下（約１０^４～１０^２Ｐａ）でなされると、アーク放電の安定化ひいては溶湯の加熱の安定化が図られる。また低真空雰囲気中で局部加熱することにより、Ａｌ基溶湯の酸化抑制と第１領域側における蒸発抑制（炉壁や槽壁等への堆積抑制によるメンテナンス性の向上）も図られる。

【0057】

一方の電極には、例えば、Ａｌ基溶湯の湯面に対向する先端部を有するトーチ電極を用いるとよい。トーチ電極とＡｌ基溶湯の間の通電（電圧の印加）により、トーチ電極の先端部とＡｌ基溶湯の湯面間にアーク放電が生じ得る。

【0058】

Ａｌ基溶湯への通電は、例えば、金属等の導電体からなる湯槽を介したり、Ａｌ基溶湯に少なくとも一部が浸漬される対極を介してなされる。溶湯に浸漬される対極は、例えば、トーチ電極と同様に、Ａｌ基溶湯の上方側に配設されるとよい。これにより、Ａｌ基溶湯の上方に局部加熱に必要な構成・機能が集約され、装置のコンパクト化やメンテナンス性向上、Ａｌ基溶湯（湯槽）の供給・入替えの作業性向上等が図られる。

【0059】

トーチ電極は、その外周面が絶縁体で囲われているとよい。これにより自由放電が抑止され、トーチ電極の先端部とＡｌ基溶湯の湯面（局部）間で生じるアーク放電を安定化できる。なお、自由放電は、トーチ電極（外周面を含む）と、対極表面、湯槽壁面、Ａｌ基溶湯の湯面等との間で生じ得る放電である。絶縁体がトーチ電極の外周面を囲う範囲は、自由放電を抑制できる範囲であればよい。通常、絶縁体はトーチ電極の先端部付近まであると好ましい。

【0060】

絶縁体は、トーチ電極を内挿（嵌入）する筒状・管状でもよいし、トーチ電極の外表面を覆う膜状でもよい。絶縁体がＡｌ基溶湯の湯面へ供給されるガスの流路の少なくとも一部を構成すると、トーチ側のコンパクト化や簡素化が可能となる。

【0061】

アーク放電は熱陰極アークでも冷陰極アークでもよい。いずれにしても、トーチ電極は陰極（負極、カソード）であるとよい。このとき、湯槽や処理室の壁面とＡｌ基溶湯（対極）とは略同電位であるとよい。高温下に曝される電極（トーチ電極、対極）は、炭素（黒鉛）、タングステン（Ｗ）などの高沸点材からなるとよい。電極の形態は問わないが、通常、（円）柱状または（丸）棒状である。

【0062】

アーク放電は、アルミニウム基溶湯の湯面上（特に第１領域）へ気流を付与しつつなされてもよい。気流は、例えば、ノズル等から噴出させたＡｒ、Ｈｅ、Ｎ_２等の不活性ガス単体やそれらの混合ガス等からなるガス流、トーチ電極側から噴出されるガス流またはプラズマ流である。気流の付与は、継続的でも断続的でもよい。

【0063】

《特定元素》
飽和蒸気分圧がＡｌよりも高い特定元素が、第２領域側で優先的に蒸発（沸騰）して、その上方にある真空雰囲気（単に「上空」ともいう。）へ放出される。

【0064】

先ず、飽和蒸気圧（平衡蒸気圧）は温度に依存しており、温度が高くなるほど大きくなる。純金属単体（液相）の飽和蒸気圧（Ｐ_０）は、温度（Ｔ）の関数として下式（１）により示される（出典：長船：津山高専紀要 13（1975）63）。
ｌｏｇＰ_０＝ａＴ^-１＋ｂｌｏｇＴ＋ｃＴ＋Ｄ （１）
ここで、ｌｏｇ：常用対数、Ｔ：絶対温度（Ｋ）、ａ、ｂ、ｃおよびＤ：定数である。

【0065】

また、複数の構成元素からなる温度Ｔにおける溶湯全体の飽和蒸気圧（Ｐｔ）は、各構成元素の飽和蒸気圧の分圧（Ｐ_ｉ：飽和蒸気分圧という。）の総和として、下式（２）により示される（出典：長船：津山高専紀要 13（1975）63）。
Ｐｔ ＝ΣＰ_ｉ＝Σ（α_ｉＰ_ｉ０） （２）
ここで、α_ｉ：溶湯中における構成元素の活量、Ｐ_ｉ０：構成元素単体（液相）の飽和蒸気圧である。活量（α_ｉ）は、溶湯中における構成元素の濃度と溶湯温度に依存している。

【0066】

次に、溶湯に含まれる構成元素の飽和蒸気分圧（Ｐ_ｉ）が、湯面上における構成元素の分圧よりも大きくなると、その構成元素は蒸発（沸騰）して、その湯面から上空へ放出される。これはＡｌ基溶湯を構成する各元素について該当する。但し、Ａｌの飽和蒸気圧は、Ａｌ基溶湯に含まれる他の元素の飽和蒸気圧よりも、無視できるほどに小さい。これは、活量を考慮した飽和蒸気分圧を考えても同様である。例えば、７００℃における飽和蒸気圧は、Ａｌ：２×１０^-５Ｐａ、Ｚｎ：８．４×１０^３Ｐａ、Ｍｇ：７．５×１０^２Ｐａ、Ｐｂ：６．７×１０^-１Ｐａである。このため活量（濃度）を考慮しても、Ａｌに対して、他の元素の蒸気圧（飽和蒸気分圧）は１０^３～１０^７倍程度も大きい。このため真空雰囲気中でも、Ａｌは実質的に蒸発せず、それよりも蒸気圧が十分に大きい特定元素が主に蒸発する。なお、本明細書では、特に断らない限り、上述した飽和蒸気分圧を、単に「蒸気圧」という。

【0067】

Ａｌに対する蒸気圧（飽和蒸気分圧）差が大きい特定元素として、例えば、Ｚｎ、ＭｇまたはＰｂの一種以上がある。代表例は、蒸気圧が特に大きいＺｎである。このような特定元素は、溶湯中の濃度、溶湯温度、溶湯上空の真空度が大きくなるほど、湯面から蒸発（沸騰）し易くなり、効率的に除去・回収され得る（参考文献：大滝，五月女，森，工藤，田中：古河電工時報，104 (1999)，25）。

【0068】

《精製》
Ａｌ基溶湯から特定元素を蒸発させる精製は、バッチ処理（一括処理）されても、連続処理（継続処理）されてもよい。バッチ処理によれば、処理室（例えば第２領域側の空間）内の圧力、湯面付近の温度、処理時間等に係る設定自由度を大きくできる。連続処理によれば、大量のＡｌ基溶湯を効率的に処理でき、他の不純物除去処理や後続の鋳造工程等とも円滑に連携させ得る。

【0069】

《回収》
特定元素は捕捉・回収されて、資源として再利用されてもよい。このため本発明は、第２領域から蒸発した特定元素を回収する回収工程（手段）を備えてもよい。

【0070】

特定元素は、例えば、その蒸気をフィルタや冷却器（冷却蛇管等）で凝集・固化させて回収される。特定元素は、その一部が第２領域以外（第１領域等）からも蒸発し得るが、主に高真空な第２領域側で蒸発する。このため、第２領域側で特定元素の蒸気を凝集・固化すれば、特定元素の効率的な回収が可能となる。なお、特定元素は、固体状態に限らず、気体（蒸気）状態、液体状態、固液共存状態で回収されてもよい。

【実施例0071】

真空蒸留法により、Ｚｎを含むＡｌ基溶湯からＺｎを除去（回収）する金属精製を行なった。このような具体例に基づいて本発明をより詳しく説明する。

【0072】

《装置》
真空蒸留に用いた金属精製装置Ｄ（単に「装置Ｄ」という。）の概要を図１に模式的に示した。説明の便宜上、図中に示した矢印方向を、上下方向または左右方向という。

【0073】

装置Ｄは、Ａｌ基溶湯ｍ（単に「溶湯ｍ」という。）を加熱保持する保持槽１と、溶湯ｍの湯面ｓ１付近（第１領域）を加熱する局部加熱部４と、溶湯ｍの湯面ｓ２付近（第２領域）からＺｎ（特定元素）を回収する回収部５と、湯面ｓ２の下方へ気泡を導入する気送部６とを備える。

【0074】

保持槽１（加熱炉）は、筐体１１と、溶湯ｍを収容する坩堝１２（湯槽）と、坩堝１２内で原料金属（アルミニウム系スクラップ等）の溶解や溶湯ｍの温度調整を行えるヒータ１３と、筐体１１の上方を閉塞して保持槽１内に密閉された処理室ｖ（上方空間）を形成する蓋体１５とを備える。坩堝１２はアルミナ製とし、ヒータ１３は電気抵抗式とした。

【0075】

処理室ｖは、排気部３１により減圧される。排気部３１は、油回転式の真空ポンプ３１１（第１排気手段）と、処理室ｖ内の圧力（真空度）を調整する調整弁３１２と、処理室ｖから吸い込まれる蒸気や微粒子等をトラップする排気フィルタ３１３と、処理室ｖに連通する排気管３１４を備える。なお、調整弁３１２は圧力ゲージ１０の計測値（Ｐ１）に基づいて作動する。

【0076】

局部加熱部４（局部加熱手段）は、アーク放電ａを生じさせる電源４０、トーチ４１および対極４２を備える。トーチ４１は、電極４１１（トーチ電極）と、電極４１１を囲繞するガス管４１２を備える。ガス管４１２には、上流側にあるガス源（ボンベ等）から不活性ガス（Ａｒ）が供給される。ガス管４１２は、セラミックス等の絶縁材からなる。

【0077】

電源４０には、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接用電源を用いた。電極４１１も対極４２も丸棒状電極とした。対極４２の先端部は、溶湯ｍの上部に浸漬させた。電源４０により、電極４１１と対極４２の間で通電がなされると、湯面ｓ１とその近傍上空にある電極４１１の先端部（先端面近傍）との間にアーク放電ａが生じる。アーク放電ａにより、ガス管４１２から供給されるガスの少なくとも一部が連続的にプラズマ化し、アーク柱やプラズマ流が安定して生成される。

【0078】

ガス管４１２の下流側から放出された不活性ガスの一部は、アーク放電ａの外周囲と湯面ｓ１に沿ったガス気流ｇとなる。ガス気流ｇにより、湯面ｓ１が安定して加熱される。なお、ガス気流ｇにより、湯面ｓ１上で生じた蒸気は、溶湯ｍの湯面に沿って拡散し、排気部３１へ誘導される。その蒸気の一部は、温度の低下と共に液体または固体となってフィルター３１３や排気管３１４に堆積する。

【0079】

回収部５は、一端側が湯面ｓ２付近（第２領域）に浸漬された筒体５１と、筒体５１に内挿される回収フィルタ５２と、筒体５１の他端側を気密に保持するチャンバ５３とを備える。チャンバ５３は排気部３２により減圧される。排気部３２は、油回転式の真空ポンプ３２１（第２排気手段）と、チャンバ５３内の圧力（真空度）を調整する調整弁３２２と、回収フィルタ５２を通過してチャンバ５３に到達した蒸気や微粒子等をトラップする排気フィルタ３２３と、チャンバ５３に連通する排気管３２４を備える。なお、筒体５１は、セラミックス等の耐熱絶縁材からなる。また、調整弁３２２は圧力ゲージ５０の計測値（Ｐ２）に基づいて作動する。本実施例では、排気部３１と排気部３２を併せて、単に「排気部３」という。排気部３により、本発明でいう真空化手段が構成される。後述する差圧管理部３３（差圧管理手段）を、真空化手段に加えて考えてもよい。

【0080】

処理室ｖの圧力（Ｐ１）とチャンバ５３の圧力（Ｐ２）は、Ｐ２＜Ｐ１＜Ｐ０（大気圧）とされる。これにより湯面ｓ１と湯面ｓ２の間の差圧（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）と溶湯ｍの密度（ρ）とに応じた高低差（溶湯ヘッド：ｈ）が生じる。

【0081】

その差圧（ΔＰ）は、差圧管理部３３（差圧管理手段）により調整される。差圧管理部３３（差圧管理手段）は、差圧ゲージ３３０と制御弁３３１を備える。差圧ゲージ３３０と制御弁３３１は共に、調整弁３１２と排気フィルタ３１３の間にある配管３１５と調整弁３２２と排気フィルタ３２３の間にある配管３２５との間に介装されている。なお、配管３１５に設けたリークバルブ３４を開くと、配管３１５内が大気解放される。

【0082】

制御弁３３１は、差圧ゲージ３３０により検出される差圧に基づいて開閉動する。例えば、検出される差圧が所定の閾値以下のとき、制御弁３３１は配管３１５と配管３２５の連通を遮断して、処理室ｖとチャンバ５３の間を所望の差圧（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）にする。一方、その検出される差圧が所定の閾値超になると、制御弁３３１は配管３１５と配管３２５を連通させて差圧を調整する。

【0083】

特定元素の回収（精製）を終えるとき、処理室ｖとチャンバ５３を実質的に等圧（Ｐ１≒Ｐ２、ΔＰ≒０）にする。このとき、湯面ｓ１と湯面ｓ２は実質的に同じ高さ（溶湯ヘッド：ｈ≒０）となる。

【0084】

気送部６は、セラミックス製のパイプ６１（気送管）と、パイプ６１の先端部（吐出部）に設けられたセラミックス製のノズル６２とを備える。ノズル６２は、通気性を有する多数の微細孔を有する多孔質体である。上流側にあるガス源（ボンベ等）からパイプ６１へ不活性ガスが圧送されると、湯面ｓ２の下方に浸漬されたノズル６２から微細気泡が溶湯ｍへ導入される。ノズル６２は、例えば、湯面ｓ２から深さ約１００ｍｍの間に配置される。

【0085】

《精製》
上述した装置Ｄを用いて、Ｚｎ（特定元素）を含むＡｌ基溶湯（原料溶湯）の精製（特定元素の除去・回収）を図２に示す工程に沿って行った。具体的には次の通りである。

【0086】

（１）Ａｌ基溶湯
精製前のＡｌ基溶湯（原料溶湯）として、Ａｌ－１．２％Ｚｎとなる溶湯を坩堝１２内で調製した。Ｚｎ濃度は、溶湯または合金の全体に対するＺｎの質量割合である。溶湯となる金属原料には、市販の純Ａｌと純Ｚｎを用いた。各試料で用いたＡｌ基溶湯量は４６００ｇとした。

【0087】

局部加熱（アーク放電）前の溶湯温度は７５０℃とした。溶湯温度は、湯面ｓ１から約１５ｍｍの深さ位置で測定した。

【0088】

（２）減圧
真空ポンプ３１１、３２１を作動させて、密閉状態の処理室ｖとチャンバ５３を排気して減圧した。処理室ｖの絶対圧力（Ｐ１）とチャンバ５３内の絶対圧力（Ｐ２）が共に約５００Ｐａとなった後、Ｐ１、Ｐ２を表１に示す真空度に調整した。処理室ｖとチャンバ５３の差圧（ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２）は一定に保持した。このとき、湯面ｓ１と湯面ｓ２の間にできる高低差（ｈ）は約３ｃｍとなった。

【0089】

筒体５１には、セラミックス（チタン酸アルミニウム）からなるパイプ（内径：６０ｍｍ）を用いた。筒体５１の下端部は、湯面ｓ１から約１５ｍｍ下方まで溶湯ｍ中に浸漬させた。

【0090】

（３）アーク放電（局部加熱工程）
電源４０に通電して、上述した減圧開始時からアーク放電ａにより湯面ｓ１を加熱した。アーク放電ａは、電極４１１を負極（カソード）、対極４２を正極（アノード）とする直流アークとした。なお、電極４１１にはφ３．２ｍｍのタングステン棒、対極４２にはφ６ｍｍの黒鉛棒を用いた。対極４２の下端部は、湯面ｓ１から約５０ｍｍの深さ位置まで浸漬した。

【0091】

アーク放電ａに際して、放電電流：１００Ａ、ガス気流ｇを形成するＡｒガス流量：４Ｌ／ｍｉｎとした。湯面ｓ１付近の溶湯温度（処理温度）を９８０℃まで昇温させて１０分間保持した。その後、アーク放電を停止し、溶湯温度が８５０℃になるまで冷却してから、処理室ｖとチャンバ５３の各圧力を大気圧まで復圧した。溶湯温度が８５０℃となるまで、上述した差圧（ΔＰ）は維持した。表１に示した処理時間は、減圧開始から復圧するまでの合計時間である。なお、溶湯温度は、既述したように、湯面ｓ１から深さ１５ｍｍ（溶湯深さの略中央）位置で測定した温度である。

【0092】

（４）気泡導入
表１に示した試料１では、気送部６により、湯面ｓ２上方から溶湯ｍ中へ不活性ガス（Ａｒ）を０．３Ｌ／ｍｉｎ送気した。これにより、ノズル６２から湯面ｓ２直下付近に微細気泡（気泡径：１～３ｍｍ程度）が導入された。気泡導入は、処理室ｖの真空減圧と同時に開始し、大気圧への復圧と共に終了した。ちなみに、ノズル６２には窒化珪素製の多孔質体（東京モ―レックス坩堝株式会社製の窒化珪素脱ガスノズル）を用いた。

【0093】

試料Ｃ１では、気泡導入を行なわなかった。

【0094】

《観察・測定》
（１）特定元素の回収
処理室ｖおよびチャンバ５３を大気圧まで復圧した後（精製処理後）に取り出した回収フィルタ５２を観察した。試料１の方が試料Ｃ１よりも、回収フィルタ５２に多くの堆積物が確認された。なお堆積物は、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）による分析により、Ｚｎ（特定元素）であることを確認している。

【0095】

（２）特定元素の除去
精製処理前・後の溶湯ｍについて、各試料のＺｎ濃度を次のように分析した。先ず、各溶湯ｍの一部をステンレス鋼製分析型へ注入し、大気中で自然冷却して凝固させた。次に、得られたＡｌ合金の化学成分（Ｚｎ濃度）を誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ＩＣＰ）で測定した。こうして得られた結果を表１にまとめて示した。なお、処理前のＺｎ濃度が試料１と試料Ｃ１で相違している理由は、処理に供した溶解原料組成のバラツキのためである。

【0096】

表１に示した試料１と試料Ｃ１の比較から明らかなように、高真空な湯面ｓ２下方へ微細気泡を導入することにより、溶湯中のＺｎを顕著に低減（除去）できることが明らかになった。

【0097】

以上から、本発明により、Ａｌ基溶湯に含まれる特定元素を効率的に蒸発（沸騰）させて除去または回収できることが確認された。

【0098】

【表1】

【符号の説明】

【0099】

Ｄ 金属精製装置
３ 排気部
４ 局部加熱部
５ 回収部
３３ 差圧管理部
６ 気送部（気泡導入手段）
ｍ Ａｌ基溶湯
ｓ１ 湯面（第１領域）
ｓ２ 湯面（第２領域）
ａ アーク放電
ｇ ガス気流

【図1】

【図2】